El sonido se transmite de forma mecánica. Cuando un grupo de partículas se mueve, se comprimen, lo que genera un aumento de la presión. Esa diferencia de presión es la que lleva a empujar otras partículas y así sucesivamente hasta llevar la energía acústica de un lugar a otro. Esto puede sonar un poco confuso, pero este artículo está para aclararte todo y enseñarte las particularidades del sonido. Comienza viendo el siguiente video, si necesitas algo más detallado o casos particulares de la propagación, sigue bajando porque te lo explico todo.
Contenido
- Vista microscópica de la propagación del sonido
- Velocidad del sonido
- ¿Cómo se propaga el sonido en ondas esféricas?
- Propagación del sonido en ondas cilíndricas
- Propagación del sonido en ondas planas
Vista microscópica de la propagación del sonido
Desde el punto de vista microscópico, la transmisión es como ocurre en el video anterior, también se describe en la siguiente gráfica. El sonido se propaga por medio de las partículas. Cuando la fuente sonora se mueve, empuja un grupo de partículas que se acumula, comprimidas generan un aumento de presión, por lo que esas partículas tendrán una fuerza que las lleva en la dirección que haya menos presión. Cuando las partículas llegan al lugar donde hay menos presión, entonces empujarán a otras partículas. Eso se transmite como unas fichas de dominó que se empujan, transmitiendo el movimiento de esas partículas de un lado a otro por medio de la presión.
Velocidad del sonido
En términos generales puedes usar la aproximación de asumir que la velocidad del sonido es 340 o 344 m/s. Es bastante común usar valores en ese rango y la verdad es que no cambia mucho el resultado si te equivocas un poco, es por eso que no miden la velocidad del sonido cuando la necesitan para cálculos de sonido en vivo, cálculos de acústica y otros. Aunque si quieres entrar un poco más en profundidad, acá te explico un poco cómo obtenerla.
¿Cómo se calcula la velocidad del sonido?
Este método se explica en el libro «Fundamentals of acoustics» de Kinsler en el capítulo 5 donde hace la demostración de la ecuación de onda, hay una sección específica hablando de la velocidad del sonido en gases.
De forma sencilla y para que no tengas que aprender a hacer esos gradientes y demás cosas que explican ahí, lo que dice es que entre más unidas estén las partículas y menor sea su densidad, entonces la velocidad del sonido será mayor. Por lo tanto se puede calcular la velocidad del sonido 
usando la presión en equilibrio 
(en el caso del aire es la presión atmosférica) y la densidad también en equilibrio 
(la densidad del aire), que se relacionan por medio del coeficiente de dilatación adiabática 
.
(1) 
En el libro en el anexo A10 puedes encontrar los valores para realizar este cálculo. Sin embargo, no siempre es tan fácil obtenerlos. Para eso se simplificó la ecuación para el caso del aire, teniendo referencia el valor de la velocidad del sonido a 
que llamaremos 
y cambiando los valores de presión y densidad por el de temperatura 
en grados centírgrados.
(2) 
Y esta es un de las fórmulas más utilizadas para calcular la velocidad del sonido.
¿Cómo medir la velocidad del sonido?
La velocidad del sonido puede medirse usando el concepto de longitud de onda. Si ubicas un micrófono de referencia y otro que esté moviéndose en la misma dirección del desplazamiento de la onda, podrás detectar la distancia en la que un sonido senoidal de una frecuencia conocida vuelva a estar en fase. Siguiendo el siguiente esquema.
Con eso puedes obtener qué distancia se recorre en tiempo equivalente a un ciclo usando un procesador, en laboratorios de acústica usualmente ese procesador muestra las figuras de Lissajous. Así, divides la distancia de un micrófono al otro entre el tiempo del periodo de la señal y esa es la velocidad del sonido. Este valor es equivalente a usar la ecuación que vimos previamente, pero con un valor muchísimo más confiable porque ya no es una estimación, sino el valor real.
¿Cómo se propaga el sonido en ondas esféricas?
De forma macroscópica, el sonido se propaga acorde a la forma en que lo emite la fuente sonora y la dirección que toma. Eso indica la forma en que la energía se distribuye en el espacio, lo que indica qué tan fuerte es el sonido dependiendo de la posición del receptor.
El caso de una fuente esférica se define como una fuente que irradia energía en todas las direcciones con igual energía. En la vida real este tipo de fuente es muy difícil de lograr en frecuencias altas, pero se da con naturalidad en frecuencias bajas. En este caso, la frecuencia baja significa que su longitud de onda debe ser muchísimo mayor que cualquiera de las dimensiones de la fuente sonora. También se analiza porque en muchas fuentes sonoras se encuentra este comportamiento en determinadas distancias y determinados ángulos.
Como irradia en todas las direcciones de igual manera, entonces significa que la se irradia formando una esfera que se vuelve cada vez más grande. Así, la energía se va a dispersar de la misma forma que se agranda el cascarón que forma la superficie de esa esfera. Entre más cerca se esté de la fuente, mayor energía tendrá un área pequeña, al alejarse menor energía tendrá.
Ese es el motivo por el que escuchamos mas fuerte el sonido a medida que nos acercamos a la fuente. Para este caso, cuando nos alejamos de la fuente al doble de la distancia, la superficie de esa esfera habrá crecido 4 veces, ya que la superficie crece con el cuadrado del radio. Eso en términos de amplitud del sonido, significa que se reduce en 6dB al alejarse al doble de la distancia.
Propagación del sonido en ondas cilíndricas
Este caso consiste de una fuente lineal, que es un tipo de fuente sonora que emite sonido de forma continua a lo largo de una línea imaginaria, a la que se denomina eje. En la vida real es común que se da porque varias fuentes sonoras forman una línea. Un ejemplo son los line arrays (líneas de parlantes colgados) cuando uno está muy cerca de ellos. Otros casos donde se puede encontrar este tipo de fuente, como el sonido que emana de tuberías o conductos largos y estrechos, el ruido generado por trenes o convoyes de vehículos en movimiento, avenidas, la propagación de ondas sísmicas desde fracturas geológicas, o incluso el sonido de largas hileras de maquinaria en entornos industriales, donde la dimensión longitudinal de la fuente es significativamente mayor que sus otras dimensiones.
A diferencia de la fuente puntual, en este caso la energía se irradia al rededor del eje. Dado que es una línea larga, la energía se dispersa como si fuera un cilindro que se expande, de ahí su nombre de frente de onda cilíndrica.
En la distribución de la energía, algo similar a lo que ocurre en el caso de las ondas esféricas, que la energía se dispersa, pero de una forma diferente. En las esféricas el sonido disminuía en función de la superficie de la esfera, en este caso será en función del crecimiento de un cilindro. Dado que su superficie crece de forma lineal con respecto al radio que tiene como centro el eje, entonces disminuirá de forma proporcional. Eso significa que la presión sólo disminuirá 3dB al aumentar al doble de la distancia entre fuente y receptor.
Propagación del sonido en ondas planas
Este caso es el más contraintuitivo, ya que va en contra de lo que vemos usualmente. Se trata de una fuente que emite toda la energía en una dirección. Usualmente los parlantes tienen este comportamiento cuando estamos muy cerca de ellos, una distancia mucho menor que su tamaño, por lo que este caso no es tan relevante. Aunque hay otra forma, y es evitando que la energía se disperse envolviéndolo en un ducto (por dentro del ducto, por fuera es una fuente cilíndrica). Casos como sonidos dentro de ductos de ventilación tienen este comportamiento.
En este caso ocurre que el sonido pierde muy poco energía porque no se dispersa, sino que toda se mantiene idealmente. Sí pierde un poco debido a la viscosidad del aire, pero se suele despreciar porque requiere distancias muy largas para que eso ocurra. Entonces quiere decir que se aumenta el doble de la distancia y no disminuye la presión del sonido, suena igual de fuerte. Es de ahí que se vuelve un poco contraintuitivo, pero es porque ocurre en lugares donde solemos poner el oído.
Con todo esto ya conoces las formas más comunes sobre la propagación del sonido. Ahora te invito a conocer más sobre el mundo del sonido.
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